Nachtsicht-Kollimation erklärt: Warum die richtige Ausrichtung bei Monokular- und Binokular-Nachtsichtgeräten wichtig ist

Bei der Bewertung eines Nachtsichtgeräts achten die meisten Käufer zuerst auf die Bildverstärkerröhre.

Sie vergleichen möglicherweise Auflösung, Signal-Rausch-Verhältnis, Verstärkung, Photokathodenempfindlichkeit, Phosphorfarbe oder Pixelfehlerzahl. Diese Spezifikationen sind wichtig, aber sie erzählen nicht die ganze Geschichte.

Ein Nachtsichtgerät kann ausgezeichnete Bildverstärkerröhren verwenden und sich dennoch unangenehm anfühlen, wenn die optischen Kanäle nicht richtig ausgerichtet sind.

Hier wird die Kollimation wichtig.

Bei einem Monokular kann eine übermäßige Bildverschiebung dazu führen, dass die verstärkte Ansicht von der realen Szene entkoppelt wirkt. Bei einem binokularen Nachtsichtgerät wird das Problem noch deutlicher, da das Gehirn zwei verstärkte Bilder gleichzeitig kombinieren muss.

Wenn diese beiden Bilder nicht ausreichend übereinstimmen, kann der Benutzer vorübergehendes Doppelsehen, visuelles Unbehagen, Schwierigkeiten beim Zusammenführen der Bilder oder zunehmende Augenbelastung bei längerem Gebrauch erfahren.

Einfach ausgedrückt:

Bei der Nachtsichtkollimation geht es darum, sicherzustellen, dass das optische Bild dort erscheint, wo das visuelle System des Benutzers es erwartet – und bei einem binokularen Gerät darum, sicherzustellen, dass der linke und der rechte Kanal miteinander übereinstimmen.

Was bedeutet „Kollimation“ bei der Nachtsicht?

Der Begriff Kollimation wird in verschiedenen Bereichen der Optik verwendet, was verwirrend sein kann.

Ein Kollimator ist ein optisches Prüfgerät, das ein kontrolliertes, effektiv entferntes optisches Ziel erzeugt. In der optischen Fertigung kann ähnliche Ausrüstung verwendet werden, um Ausrichtung, Parallaxe, Abmessungen des Absehens, Einstellgenauigkeit und andere Eigenschaften eines optischen Systems zu bewerten. Das Ausgangsmaterial beschreibt diese Verwendung eines Kollimators zur Überprüfung optischer Visiere und zur Bewertung, ob sich ein Bild oder Absehen wie erwartet bewegt.

Bei der Nachtsicht bezieht sich die Kollimation jedoch üblicherweise auf die Ausrichtung des vom optischen System dargestellten Bildes.

Eine Bildverstärkerröhre wird innerhalb der angegebenen mechanischen und optischen Toleranzen gefertigt. Ihr Ausgangsbild ist nicht notwendigerweise mit mathematisch perfekter Ausrichtung zum mechanischen Mittelpunkt des Gehäuses positioniert. Gleichzeitig muss das Gehäuse selbst ausreichend mechanischen Spielraum aufweisen, damit Röhren installiert und gewartet werden können.

Das bedeutet, dass, sobald eine Röhre in ein Nachtsichtgehäuse eingesetzt wird, eine geringe Bildverschiebung vorhanden sein kann.

Ein leichter Versatz an sich ist nicht unbedingt ein Defekt.

Die eigentliche Frage ist, ob dieser Versatz kontrolliert wird und, in einem binokularen System, ob die beiden Kanäle ausreichend aufeinander abgestimmt sind, damit das Gehirn des Benutzers sie bequem kombinieren kann.

Bildverschiebung: Warum sich das Nachtsichtbild leicht bewegen kann

Stellen Sie sich vor, Sie schauen mit unbewaffnetem Auge eine Straßenlaterne an.

Führen Sie nun ein Nachtsichtmonokular vor das Auge.

Die Straßenlaterne kann beim Blick durch das verstärkte Bild leicht verschoben erscheinen. Laut dem bereitgestellten Material kann diese geringe Verschiebung aufgrund der kombinierten Toleranzen der Röhre, des Gehäuses und des optischen Systems auftreten.

Diese Verschiebung kann als Bildverschiebung oder Bildversatz bezeichnet werden.

In einem idealisierten optischen System könnte das Bild vor und nach dem Anlegen des Nachtsichtgeräts an derselben scheinbaren Position erscheinen. Bei einem realen Produkt bedeuten Fertigungstoleranzen, dass eine gewisse Abweichung vorhanden sein kann.

Wichtig ist, dass eine geringe Bildverschiebung nicht automatisch ein Zeichen dafür ist, dass das Nachtsichtgerät defekt ist.

Für ein Monokular ist das Ziel im Allgemeinen, diese Verschiebung innerhalb eines akzeptablen Bereichs zu halten, damit der Benutzer ohne übermäßigen visuellen Konflikt zwischen verstärkter und natürlicher Sicht wechseln kann.

Für binokulare Systeme ist die Anforderung anspruchsvoller.

Warum ist die Kollimation bei binokularer Nachtsicht wichtiger?

Ein binokulares Nachtsichtgerät präsentiert dem linken Auge ein verstärktes Bild und dem rechten ein weiteres.

Das Gehirn muss diese beiden Ansichten zu einer kohärenten Szene verschmelzen.

Wenn die Bilder einigermaßen gut ausgerichtet sind, geschieht dies natürlich.

Wenn ein Kanal nach oben verschoben ist, während der andere nach unten verschoben ist – oder einer viel weiter verschoben ist als der andere –, muss das Gehirn ständig arbeiten, um den Unterschied auszugleichen.

Das Ausgangsmaterial beschreibt dies als eine Situation, in der die beiden optischen Module Bildverschiebungen in unterschiedliche Richtungen oder in unterschiedlichem Ausmaß aufweisen. Das Ergebnis kann einem gekreuzten oder doppelten Bild ähneln und verschiedene Grade von Augenbelastung verursachen.

Eine nützliche Analogie ist das Tragen einer Brille, bei der die beiden Gläser falsch zentriert sind.

Jedes Auge kann technisch gesehen ein scharfes Bild empfangen, aber die beiden Bilder stimmen nicht natürlich überein. Das visuelle System muss dann kompensieren.

Für ein paar Sekunden mag sich das einfach seltsam anfühlen.

Nach längerem Betrachten kann es ermüdend werden.

Deshalb kann ein binokulares Nachtsichtgerät nicht nur durch unabhängiges Einschalten jeder Röhre und die Frage, ob beide Bilder scharf aussehen, bewertet werden.

Die Beziehung zwischen den beiden Bildern ist genauso wichtig wie die Bildqualität jeder Röhre.

Kollimation bedeutet nicht immer perfekte Ausrichtung mit der realen Welt

Dies ist einer der wichtigsten technischen Punkte im Ausgangsmaterial.

In binokularen Nachtsichtsystemen, die PVS-14-ähnliche Optiken verwenden, kann eine absolute optische Ausrichtung jedes Kanals mit der externen Szene schwierig sein. Das Material weist darauf hin, dass eine echte optische Ausrichtung zusätzliche optische Korrekturmethoden erfordern würde, wie z.B. die prismenbasierte Kompensation, die in einigen aufsteckbaren optischen Systemen verwendet wird.

Stattdessen konzentriert sich die Kollimation bei binokularer Nachtsicht oft darauf, die Bildverschiebung der beiden Kanäle aufeinander abzustimmen.

Angenommen, der linke Kanal verschiebt das scheinbare Bild leicht nach oben und rechts.

Wenn der rechte Kanal ungefähr die gleiche Verschiebung in ungefähr die gleiche Richtung erzeugt, empfängt das Gehirn zwei Bilder, die immer noch gut miteinander korrespondieren.

Die gesamte verstärkte Szene kann relativ zur Sicht mit bloßem Auge leicht verschoben sein, aber das binokulare Erlebnis kann angenehm bleiben, weil das linke und rechte Auge übereinstimmen.

Das größere Problem entsteht, wenn die beiden Kanäle nicht übereinstimmen.

Einer könnte nach oben und der andere nach unten verschoben sein, oder einer könnte deutlich weiter verschoben sein als der andere.

Dieser Unterschied ist es, der die binokulare Kollimation besonders wichtig macht.

Wie kann das Okular die Kollimation beeinflussen?

In einigen optischen Systemen im PVS-14-Stil kann das Okular selbst zur Kollimationseinstellung beitragen.

Das mitgelieferte Material erklärt, dass bestimmte Okulardesigns absichtlich mit einem kleinen optischen Versatz hergestellt werden. Das Drehen des Okulars ändert die Richtung dieses Versatzes, wodurch der Erbauer die scheinbare Bildposition anpassen kann. Einige andere Okulare bieten diesen Einstellbereich nicht.

Eine Möglichkeit, dies zu visualisieren, besteht darin, sich vorzustellen, dass die möglichen Bildpositionen einen kleinen Kreis bilden.

Die Bildverstärkerröhre und das Gehäuse legen einen anfänglichen Versatzmittelpunkt fest. Das Drehen eines kollimierenden Okulars ermöglicht es der scheinbaren Bildposition, sich um diesen Mittelpunkt zu bewegen.

Bei einem binokularen Gerät gibt es zwei solcher Einstellbereiche – einen für jedes Auge.

Wo sich die verfügbaren Einstellbereiche überlappen, kann der Erbauer die beiden Bilder so positionieren, dass ihre Versätze übereinstimmen.

Das Originalmaterial beschreibt dies anhand von zwei Kreisen, die sich an zwei Positionen schneiden können, was bedeutet, dass mehr als eine mathematische Kollimationslösung existieren kann. Es argumentiert auch, dass ein sorgfältiger Erbauer die Lösung bevorzugen sollte, die das System näher an seinem gesamten optischen Zentrum hält, anstatt einfach einen beliebigen Punkt zu wählen, an dem die linken und rechten Offsets zufällig übereinstimmen.

Dies erklärt, warum Kollimation nicht einfach nur eine Frage des „Drehens eines Okulars, bis das Bild gut aussieht“ ist.

Der Erbauer gleicht das Verhalten zweier vollständiger optischer Kanäle aus.

Was verursacht eine schlechte Kollimation?

Eine schlechte Kollimation wird nicht unbedingt durch eine fehlerhafte Bildverstärkerröhre verursacht.

Das Problem kann überall in der mechanischen und optischen Anordnung seinen Ursprung haben.

Zum Beispiel weist das Ausgangsmaterial darauf hin, dass Nachtsichtgehäuse eine gewisse Bohrungstoleranz erfordern, damit verschiedene Röhren physisch hineinpassen. Infolgedessen kann eine Röhre jedes Mal, wenn sie installiert wird, in einer leicht unterschiedlichen Ausrichtung sitzen.

Wenn diese Toleranzen übermäßig werden, kann die verfügbare optische Anpassung nicht mehr ausreichen.

Die Gehäusesteifigkeit spielt ebenfalls eine Rolle.

Das bereitgestellte Material beschreibt einen Fall, in dem die Röhre aufgrund der Beziehung zwischen Gehäuse und internen Komponenten nach unten gedrückt werden konnte. Dies verschob die beiden Kanalzentren so weit auseinander, dass ihre normalen Kollimationsanpassungsbereiche nicht mehr überlappen konnten. Die Korrektur eines solchen Zustands könnte das Neuplatzieren oder mechanische Neupositionieren der Röhre erfordern, anstatt einfach die Optik zu drehen.

Wenn also ein Fernglas nicht richtig kollimiert werden kann, kann die Ursache die Röhrenposition, das Okular, optische Toleranzen, die Geometrie des Gehäuses, die mechanische Steifigkeit oder den Montageprozess betreffen.

Deshalb ist Kollimation im Grunde ein optomechanisches Montageproblem und nicht nur eine Spezifikation der Bildverstärkerröhre.

Warum ist die Kollimation selbst für ein Monokular wichtig?

Zunächst mag Kollimation wie ein reines Problem für Ferngläser klingen.

Schließlich liefert ein Monokular nur ein verstärktes Bild. Es gibt keinen zweiten Nachtsichtkanal, der abgestimmt werden müsste.

Aber das menschliche Sehsystem hat immer noch zwei Augen.

Wenn ein PVS-14 oder ein ähnliches Gerät an einem Auge verwendet wird, kann das andere Auge der Umgebung ausgesetzt bleiben. Unter Bedingungen, in denen das unbewaffnete Auge noch visuelle Informationen wahrnehmen kann, verarbeitet das Gehirn möglicherweise das verstärkte Bild von einem Auge zusammen mit natürlichen visuellen Hinweisen vom anderen.

Wenn die verstärkte Ansicht stark verschoben ist, kann das Kombinieren dieser beiden Informationsquellen weniger angenehm werden.

Besonders wichtig wird das Problem bei gelenkigen Fernglasgehäusen.

Viele Benutzer klappen ein optisches Modul hoch und betreiben die andere Seite vorübergehend als Monokular. Das Ausgangsmaterial weist ausdrücklich darauf hin, dass eine übermäßige Bildverschiebung in diesem Betriebsmodus zu Augenbelastung führen und es dem Benutzer erschweren kann, die beiden Ansichten zu verarbeiten.

Dies bedeutet, dass ein gut gebautes Fernglas idealerweise nicht nur die beiden Kanäle aufeinander abstimmen, sondern auch unnötige individuelle Kanalverschiebung vermeiden sollte, wo immer möglich.

Gelenkige Ferngläser fügen eine weitere Komplikation hinzu

Moderne binokulare Nachtsichtsysteme ermöglichen es oft, jedes optische Modul unabhängig voneinander nach oben zu drehen oder zu klappen.

Dies ist nützlich, da der Benutzer ein Pod aus dem Weg räumen oder beide Pods näher an den Helm klappen kann, wenn das System nicht verwendet wird.

Aber die Gelenkigkeit ändert die Geometrie des optischen Systems.

Laut dem Ausgangsmaterial kann eine Änderung der Pupillendistanzkonfiguration oder des Pod-Winkels die Richtung des Bildversatzes ändern. Wenn die linken und rechten Pods asymmetrisch positioniert sind, kann der Winkelunterschied zwischen ihnen zunehmen und die scheinbare Kollimation sich verschieben.

Dies bedeutet, dass das mechanische Design der Brücke und die Wiederholbarkeit der Einstellung des Pupillenabstands (IPD) ebenfalls wichtig sind.

Wenn die Pods wiederholt in die gleiche Position zurückkehren, bleibt die Kollimation besser vorhersehbar.

Wenn die Position bei jeder Einstellung der Brille variiert, kann auch die optische Beziehung zwischen den beiden Kanälen variieren.

Bei gelenkigen Systemen ist eine gute Kollimation also teilweise ein optisches und teilweise ein Problem der mechanischen Wiederholbarkeit.

Kann Nachtsicht mit dem Auge kollimiert werden?

Ein erfahrener Monteur kann möglicherweise ein überraschend gutes Ergebnis erzielen, indem er die beiden Kanäle visuell vergleicht.

Das Ausgangsmaterial gibt Beispiele für binokulare Geräte, die zunächst nach Augenmaß eingestellt und später mit speziellen optischen Prüfgeräten überprüft wurden, mit akzeptablen Ergebnissen. Es betont jedoch auch, dass diese Methode stark von der Erfahrung des Monteurs abhängt und daher nicht durchgängig wiederholbar ist.

Diese Unterscheidung ist für die Fertigung wichtig.

Ein geschickter Techniker kann eine gute Einheit manuell herstellen.

Ein Hersteller hingegen benötigt, dass jeder Techniker und jede Produktionscharge vergleichbare Ergebnisse erzielt.

Aus diesem Grund werden standardisierte Vorrichtungen und optische Prüfgeräte in der professionellen Produktion wichtig.

Der Zweck eines Kollimators oder eines speziellen Nachtsichtprüfsystems besteht nicht nur darin, das menschliche Urteilsvermögen zu ersetzen. Es bietet eine stabile optische Referenz, so dass die Ausrichtung gemessen und wiederholt werden kann, anstatt sie vollständig nach Gefühl zu beurteilen.

Dies ist der gleiche allgemeine Grund, warum Kollimatoren auch anderswo in der optischen Fertigung verwendet werden: Sie liefern eine kontrollierte Referenz zur Beurteilung, ob ein optisches System wie beabsichtigt funktioniert.

Eine einfache Möglichkeit für Benutzer, ein mögliches Kollimationsproblem zu erkennen

Das Ausgangsmaterial schlägt ein sehr einfaches Beobachtungskonzept vor: Schauen Sie auf eine entfernte punktförmige Lichtquelle, wie eine Straßenlaterne, und bringen Sie dann das binokulare Nachtsichtgerät in die Blickposition.

Wenn die beiden optischen Kanäle einigermaßen übereinstimmen, sollte der Benutzer in der Lage sein, das verstärkte Ziel relativ schnell zu einem einzigen Bild zu verschmelzen.

Wenn das Ziel zunächst doppelt, gekreuzt, vertikal getrennt oder schwer zu verschmelzen erscheint, kann dies ein Zeichen dafür sein, dass die beiden Kanäle nicht gut aufeinander abgestimmt sind.

Dies ist kein Ersatz für eine professionelle Messung.

Das menschliche Sehvermögen kann einen gewissen Ausrichtungsfehler kompensieren, und das Ausmaß des Unbehagens variiert von Person zu Person. Ein Gerät, das bei einer kurzen Sichtprüfung akzeptabel erscheint, kann immer noch außerhalb der vom Hersteller vorgesehenen Ausrichtungstoleranz liegen.

Für den Benutzer sind jedoch anhaltendes Doppelsehen oder eine ungewöhnliche Überanstrengung der Augen ein Grund, die optische Ausrichtung zu untersuchen, anstatt davon auszugehen, dass das Problem lediglich „Gewöhnung an die Nachtsicht“ ist.

Kollimation vs. andere optische Probleme

Nicht jedes unangenehme Nachtsichtbild wird durch Kollimation verursacht.

Fokusprobleme, falsche Dioptrieneinstellung, Pupillenabstand, Unterschiede in der Röhrenhelligkeit, optische Verzerrung, schlechter Augenabstand und mechanische Positionierung können das Seherlebnis beeinträchtigen.

Die Kollimation betrifft speziell die räumliche Beziehung der Bilder.

Eine einfache Möglichkeit, die Konzepte zu unterscheiden, ist:

Problem	Was der Benutzer bemerken kann
Fokusfehler	Bild erscheint unscharf
Dioptrien-Fehlanpassung	Ein Auge erscheint scharf, während das andere nicht scharf ist
Falscher IPD	Okulare stimmen nicht bequem mit beiden Augen überein
Helligkeits-Fehlanpassung	Ein Kanal erscheint heller als der andere
Kollimationsfehler	Linkes und rechtes Bild erscheinen räumlich verschoben oder schwer zu verschmelzen

Ein Nachtsichtgerät kann also zwei einzeln scharfe, helle Bilder haben und dennoch einen schlechten binokularen Sehkomfort aufweisen, wenn diese Bilder nicht richtig ausgerichtet sind.

Warum Kollimation für Hersteller von Nachtsichtgeräten wichtig ist

Für Käufer beeinflusst die Kollimation den Komfort.

Für Hersteller zeigt sie die Qualität des gesamten Montageprozesses.

Ein ordnungsgemäß gesteuertes binokulares System hängt von viel mehr ab als nur dem Kauf von zwei guten Bildverstärkerröhren. Die Röhrenmontage, Gehäusetoleranzen, optische Ausrichtung, Okulardesign, mechanische Steifigkeit, Artikulationsgeometrie, IPD-Reproduzierbarkeit, Montageverfahren und Endkontrolle tragen alle zum Ergebnis bei.

Dies ist besonders wichtig, wenn Nachtsichtgeräte von der Prototypenfertigung zur Serienfertigung übergehen.

Ein Techniker kann ein hervorragendes Fernglas manuell bauen. Die Herstellung Hunderter oder Tausender Einheiten mit konsistenter Ausrichtung erfordert kontrollierte Teile, dokumentierte Verfahren, geeignete Vorrichtungen, geschultes Montagepersonal und eine wiederholbare Inspektion.

In diesem Sinne ist die Kollimation ein nützliches Beispiel dafür, warum die Herstellung von Nachtsichtgeräten nicht allein nach den Spezifikationen des Bildverstärkers beurteilt werden kann.

Fazit: Gute Nachtsicht bedeutet, dass zwei Bilder zusammenwirken

Kollimation ist einer der weniger sichtbaren, aber wichtigsten Aspekte der binokularen Nachtsichtqualität.

Jede Bildverstärkerröhre und jedes Gehäuse arbeitet innerhalb mechanischer und optischer Toleranzen, so dass eine geringe Bildverschiebung vorhanden sein kann. Das Ziel ist nicht unbedingt, jede mikroskopische Abweichung von der externen Szene zu eliminieren.

Bei einem binokularen System ist das wichtigere Ziel, die beiden optischen Kanäle ausreichend gut aufeinander abzustimmen, damit das Gehirn sie natürlich verschmelzen kann.

Wenn dies der Fall ist, kann sich binokulare Nachtsicht komfortabel und intuitiv anfühlen.

Wenn nicht, können selbst zwei ausgezeichnete Bildverstärkerröhren ein Seherlebnis erzeugen, das durch Doppelbilder, visuellen Konflikt oder Überanstrengung der Augen gekennzeichnet ist.

Monokulare Systeme profitieren ebenfalls von einer kontrollierten Bildverschiebung, insbesondere wenn das unbewaffnete Auge aktiv bleibt oder wenn ein gelenkiges Fernglas vorübergehend als Einkanalgerät verwendet wird.

Bei der Bewertung eines Nachtsichtsystems sollten daher nicht nur die Röhrenspezifikationen berücksichtigt werden.

Die Bildqualität sagt Ihnen, wie gut jede Röhre ist. Die Kollimation sagt Ihnen, wie gut das komplette optische System zusammenarbeitet.

Dieser Unterschied ist auf einem Datenblatt gering – aber er kann sehr auffällig sein, sobald das Gerät tatsächlich vor Ihren Augen ist.